机电系统控制电路设计2015-2

1、机电(jdin)系统控制电路设计教师(jiosh)：黄学功电话-mail：南京理工大学机械工程学院2015-10共八十六页2 AVR单片机单片机系统(xtng) 2.1 AVR单片机的硬件结构 2.2 AVR单片机的的I/O口 2.3 中断系统 2.4 定时/计数器 2.5 A/D转换器与模拟(mn)比较器 2.6 串口通信技术共八十六页单片机的概念(ginin)问：PC机包含(bohn)那些组成部分？CPU存储器（硬盘，内存）输入输出接口共八十六页我们(w men)在显微镜下进行观察共八十六页单片机的定义单片机就是单片微型计算机, 是将计算机的中央处理器(CPU)、

2、存储器（ROM,RAM）、输入/输出（I/O）接口(ji ku)等集成在一小块硅片上的微型机。时钟电路CPUROMRAM输入/输出接口共八十六页单片机电源模块开关(kigun)输入音乐(ynyu)输出LED显示数码管显示红外遥控继电器控制串行模块共八十六页成于大气(dq) 信达天下单 片 机 的 特 点控制能力强集成度 高体积小 有很高的可靠性优异(yuy)的性能价格比共八十六页单片机产品(chnpn)近况 ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列； Philips公司的80C51、80C552系列； 华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列； ADI公司的ADC8xx高精

3、度ADC系列； LG公司的GMS90/97低压(dy)高速系列； Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列； Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。 宏晶科技的STC增强型8051内核单片机 1） 51系列单片机 51系列单片机产品繁多，近年来推出的与51兼容的主要产品有：共八十六页 2）非51系列(xli)单片机非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间 ，近年来推出的非80C51系列的主要产品有：Intel的MCS-96系列(xli)16位单片机 ； Microchip的PIC系列RISC单片机 ； ATMEL公司AVR单片机TI的MS

4、P430F系列16位低功耗单片机 。共八十六页 单片机的发展趋势 1. CPU的改进(gijn) （1）采用(ciyng)双CPU结构，提高处理能力（2）增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。（3）串行总线结构，菲利浦公司的I2C总线（InterIcbus）。用两根信号线代替现行的8位数据总线。2存储器的发展 （1）加大存储容量。（2）片内EPROM采用E2PROM或闪烁（Flash）存储器（3）程序保密化。共八十六页3片内I/O的改进(gijn)（1）增加(zngji)并行口的驱动能力，能直接输出大电流和高电压。（2）增加I/O口的逻辑控制功能。（3）设置了一些特殊的串行接口功能，构成分

5、布式、网络化系统 。4外围电路内装化 器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内系统的单片化。共八十六页 5低功耗化 CMOS化CHMOS工艺(gngy)。总之，向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、 外围电路(dinl)内装化方向发展。6、特殊单片机的出现 1）神经元单片机 主要应用于工业控制网络中的节点部件，典型产品：Motorola公司 Newral Chip3150（3 CPU） 2）模糊单片机 模糊单片机是一种能执行模糊逻辑推理功能的单片机，可执行模糊化、模糊推理、反模糊化等操作而无需软件，典型产品：Neuralogix公司NLX230共八十六页 单片机的应用(yngyng

6、) 单片机卓越的性能(xngnng)，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。使用温度：民品： 0C +70C工业品： -40C +85C军品： -65C +125C。共八十六页单片机的应用(yngyng)工业(gngy)方面民用方面仪表方面电讯方面数据处理方面汽车方面共八十六页单片机应用智能(zh nn)控制单片机的应用(yngyng)共八十六页单片机应用(yngyng)消费电子产品单片机的应用(yngyng)共八十六页单片机应用军事(jnsh)技术单片机的应用(yngyng)共八十六页单片机应用工业(gngy)控制单片机的应用(yngyng)共八十六页单片机的应用(yngyng)共八十六页单片

7、机的应用(yngyng)共八十六页2.1 AVR单片机及其硬件(yn jin)结构共八十六页AVR单片机特点(tdin) AVR单片机有如下(rxi)一些显著特点： 1、速度快 共八十六页 AVR单片机有如下(rxi)一些显著特点： 2、片上资源(zyun)丰富 AVR单片机特点共八十六页3、保密性好 AVR单片机具有高度保密性。程序存储器Flash具有多重密码保护锁死（lock）功能(gngnng)，不可能解密。4、可重复(chngf)擦写在系统编程 ISP（In-System Programming） AVR单片机的程序存储空间采用Flash技术，可重复擦写1000次以上（新的AVR单片机

8、可重复擦写10000次以上）。而且设计者不必将单片机从系统上拆下来拿到编程器上烧写，可直接在电路板上进行在线下载，以实现程序修改、烧录等操作，方便产品升级。AVR单片机特点共八十六页AVR单片机特点(tdin)共八十六页AVR单片机特点(tdin)共八十六页8. 采用(ciyng)精简指令集RISC （CISC和RISC）CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）具有(jyu)大量的指令和寻址方式用最少的语言完成所需的计算任务。RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)指令数少：通常指令数在100条左右

9、，并且大部分指令结构简单，设置少量支持操作系统和高级语言实现的指令。减少指令系统的寻址方式的种类，一般不超过2种，并且全部指令都具有相同长度，指令执行效率高。大部分指令在一个机器周期完成。扩大通用寄存器的个数。一般不少于32个，以尽量减少存储器操作。因为寄存器速度极快 优化设计编译程序，以简单有效的方式支持高级语言的实现。 共八十六页指令寄存器控制器数据通道输入(shr)输出(shch)中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据29. 采用哈佛体系结构（冯诺依曼体系结构模型）共八十六页冯诺依曼体系(tx)的特点1）数据与指令都存储在存储器中2）被大多数计算机所采用(

10、ciyng)3）8086冯诺依曼体系共八十六页哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入(shr)输出(shch)中央处理器程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据共八十六页哈佛体系结构的特点(tdin)1）程序(chngx)存储器与数据存储器分开2）提供了较大的数据存储器带宽3）适合于数字信号处理4）大多数DSP都是哈佛结构5）ARM9是哈佛结构共八十六页指令的执行(zhxng)周期T1）取指令（Instruction Fetch)：TF2）指令译码（Instruction Decode）：TD3）执行指令（Instruction Execute）：TE4）存储

11、(cn ch)（Storage）：TS每条指令的执行周期：T= TF+TD+TE+TS共八十六页AVR CPU的工作是由系统时钟CLKCPU（）直接驱动的，在片内不再进行分频。图示为Harvard结构和快速访问寄存器组的并行指令存取和指令执行(zhxng)时序。CPU在启动后第一个时钟周期T1取出第一条指令，在T2周期便执行取出的指令，并同时又取出第二条指令，依次进行。这种基于流水线形式的取指方式，使AVR可以以非常高的速度执行指令，获得高达1MIPSMHz的效率。AVR单片机CPU的工作(gngzu)时序共八十六页图示为ALU与寄存器堆操作(cozu)单周期指令（如加法指令）的执行时序。在单

12、一时钟周期内，由2个寄存器提供操作数，ALU执行相应的操作，最后将操作结果回送到目的寄存器中。共八十六页与其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特点是： 哈佛结构，具备1MIPS / MHz的高速运行处理能力； 超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象； 快速的存取寄存器组、单周期(zhuq)指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发； 作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉

13、电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力； 片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠； 大部分AVR片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等； AVR 8-Bit MCU的最大特点(tdin)共八十六页AVR单片机的选型 AVR单片机的选型I/O口存储器大小(dxio)EEPROM大小(dxio) 功能模块最高工作频率定时计数器 工作电压 共八十六页AVR单片机型号(xngho)的选择AVR系列单片机有以下(yxi)三个档次： 1、低挡ATiny系

14、列AVR单片机，主要有ATiny11/12/13/15/26/28等。2、中档AT90S系列单片机，主要有AT90S1200/2313/8515/8535等。3、高档ATmega系列AVR单片机，主要有ATmega8/16/32/128，以及ATmega8515/8535等。共八十六页3个 AVR 系列(xli)存储器大小(dxio)性能 ( 1KB - 2KB )( 1KB- 8KB )( 16KB - 128KB)完全兼容共八十六页ATtiny系列(xli)单片机特点 ： AVR单片机型号(xngho)的选择共八十六页ATtiny10/11/12特点(tdin) ： AVR单片机型号(xn

15、gho)的选择共八十六页ATtiny10/11/12特点(tdin) ： AVR单片机型号(xngho)的选择共八十六页ATtiny10/11/12特点(tdin) ： AVR单片机型号(xngho)的选择共八十六页ATtiny10/11/12特点(tdin) ： AVR单片机型号(xngho)的选择共八十六页AT90S1200单片机特点(tdin) ： AVR单片机型号(xngho)的选择共八十六页AT90S1200单片机特点(tdin) ： AVR单片机型号(xngho)的选择共八十六页 ATmega8单片机特点(tdin) ： AVR单片机型号(xngho)的选择共八十六页AVR 芯片型

16、号的解释(jish)， 以 ATmega48V-10AI 为例ATmega48 代表产品. V 代表低/宽电压版本。新出的AVR(M48/88/168, Tiny13/2313.)产品系列来说, -V 是1.8-5.5V 工作范围。 不带V是2.7-5.5V 工作范围 。 老的系列以L表示, 2.7-5.5V 工作范围 ， 不带L是4.5-5.5V 工作范围 。 -10, 表示最高工作频率, 10MHz A, 表示封装 。AVR芯片有四种封装： 1. A: TQFP（扁平薄片方形封装） 2. P: PDIP（双列直插封装）3. S: SOIC（小型封装）4. M: MLF （微引脚封装）5 P

17、LCC（塑封J引线封装）I, 表示温度范围, 将来(jingli)还表示 ROHS1.I, 工业级 2.C, 商业级 3.A, 汽车级 4.E, 扩展级 (-40-105C) 5.U, 符合ROHS,工业级共八十六页三种(sn zhn)封装：PDIP, TQFP, 脚MLF20脚PDIP40脚PDIP44脚TQFP64脚TQFP44脚MLF共八十六页共八十六页2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构 AT90S8535单片机I/O口（32）存储器大小(dxio)(8k flash 512B SRAM 512B EEPROM) 工作电压（2.76V；4.06V）功能模块最高工作

18、频率（8MHz）定时计数器 16个中断源 共八十六页 AT90S8535单片机2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页 AT90S8535单片机2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页AVR单片机的CPUAVR RISC结构(jigu)102423共八十六页中央处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运算和控制操作。按其功能，CPU包括运算器和控制器两部分电路。运算器电路：一个8位的运算器用于实现算术和逻辑运算。ALU（算术逻辑单元）、32个通用寄存器等属于(shy)运算电路。控制器电路：控制电路是单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分能自

19、动协调的工作。程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID等均属于控制电路。共八十六页MCU工作原理： 单片机执行命令是在控制电路的控制下进行的。首先从程序(chngx)存储器（FLASH）中读出指令，送指令寄存器保存，然后送指令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到系统的各个部件去进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。共八十六页 AT90S8535单片机的中央处理器 32个通用寄存器，1个算数(sun sh)逻辑运算单元及状态和控制逻辑单元。 AT90S8535单片机的存储器组织(zzh) 程序存储器

20、（Flash） 数据存储器（SRAM; EEPROM）2.1 AT90S8535单片机的硬件结构共八十六页 AT90S8535单片机的存储器组织(zzh)2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页 AT90S8535单片机的存储器组织(zzh)2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页 AT90S8535单片机的存储器组织(zzh)2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页 AT90S8535单片机的状态(zhungti)寄存器2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构 I 全局中断使能位 T 位复制

21、标志 H 半进位标志 S 符号标志位 V 溢出标志位 N 负数标志位 Z 零标志位 C 进位标志位共八十六页 AT90S8535单片机的堆栈(duzhn)指针SP2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页 AT90S8535单片机复位(f wi)系统复位(f wi)源： 上电复位 外部复位 看门狗复位2.1 AT90S8535单片机的硬件结构共八十六页 AT90S8535单片机复位(f wi)系统2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页 AT90S8535单片机复位(f wi)系统-上电复位2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn ji

22、n)结构共八十六页 AT90S8535单片机复位系统(xtng)-RESET控制的上电复位2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页 AT90S8535单片机复位(f wi)系统-外部复位2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页 AT90S8535单片机复位(f wi)系统-看门狗复位2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页 AT90S8535单片机复位(f wi)系统-复位参数符号参数最小值典型值最大值单位VPOT上电复位门限电压（上升沿）1.01.41.8VVPOT上电复位门限电压（下降沿）0.40.60.8

23、VVRST复位门限电压0.6VCCVtTOUT复位延时定时输出周期(FSTRT不编程)11.016.021.0mstTOUT复位延时定时输出周期(FSTRT编程)1.01.11.2ms2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页共八十六页复位(f wi)电路内置复位电路 与传统的 51 单片机相比，AVR 单片机内置复位电路 ，并且在熔丝位里，可以(ky)控制复位时间，所以，AVR 单片机可以(ky)不设外部上电复位 电路，依然可以(ky)正常位，稳定工作。外部复位电路 若是系统需要设置按键复位电路 ，那么注意，AVR 单片机是低电平复位。共八十六页 AT90S8535

24、/ATMEGA8535单片机时钟(shzhng)系统时钟源： 外部(wib)时钟 内部时钟2.1 AT90S8535单片机的硬件结构共八十六页 AT90S8535/ATMEGA8535单片机时钟(shzhng)系统-晶体振荡器2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页 AT90S8535/ATMEGA8535单片机时钟(shzhng)系统-晶体振荡器2选项不适合于晶体(jngt)只适合于陶瓷谐振器2.1 AT90S8535单片机的硬件结构共八十六页 ATMEGA8535单片机时钟(shzhng)系统-晶体振荡器2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页 ATMEGA8535单片机时钟系统(xtng)-低频晶体振荡器（32.768kHz）2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结构共八十六页 AT90S8535/ATMEGA8535单片机时钟系统(xtng)-外部RC振荡器2.1 AT90S8535单片机的硬件(yn jin)结